Újabb lépéssel közelebb a hiperoncsillagokhoz

A Nature tudományos folyóiratban megjelent friss tanulmány szerint ugyanis elsőként sikerült pontosan meghatározni a protonok és ritka omega (Ω⁻) részecskék közötti kölcsönhatást. Ez az eredmény új távlatokat nyithat meg a csillagászati kutatásokban is, hiszen egy lépéssel közelebb visz ahhoz, hogy a szupernova robbanások utáni visszamaradt pulzárok szupersűrű, hideg maganyagát tudják vizsgálni a kutatók, ami közvetlen megfigyeléssel nem lenne lehetséges. Ezáltal olyan új elméleti modelleket dolgozhatnak ki, amelyek segítségével később a hiperoncsillagokra utaló jeleket kereshetnek sokcsatornás asztrofizikai módszerekkel (gravitációs hullámokkal, gamma- és rádióteleszkópokkal).

Művészi ábrázolás az ALICE kísérlet legújabb eredményéről, egy Ω− hiperon (balra) és egy proton (jobbra) kölcsönhatásáról

Forrás: cds.cern.ch

De mik is azok a hiperonok? Az atommagok protonjait és neutronjait kvarkok építik fel. Barionoknak nevezzük a három kvarkból álló részecskéket, így például a protont két u (up) és egy d (down) kvark, míg a neutront két d (down) és egy u (up) kvark alkotja.

Barionok szerkezete: a proton (uud) és a neutron (udd)

A kvarkok azonban hatfélék lehetnek, a könnyebb kvarkoktól a nehezebbek felé haladva: u (up), d (down), s (strange), c (charm), b (bottom), t (top). Az erős kölcsönhatást leíró elmélet, a kvantum-színdinamika, szerint a kvarkok önmagukban nem megfigyelhetőek, csak hadronokba bezárva, amelyek lehetnek pl. barionok, antibarionok vagy mezonok.

A kvarkok típusai: felül a könnyű u és d kvarkok, alul a nehezek: s,c,b,t.

A Nagy Hadronütköztetőben egyre nagyobb energiájú ütközéseket lehet létrehozni, amelyekben egyre nagyobb számban jelennek meg a nehezebb kvarkok. Ezekből – rövid időre – nehezebb barionok, úgynevezett hiperonok is keletkezhetnek. Hiperonokban már nem csak u és d kvarkok, hanem a nehezebbek is megjelennek. Ilyenek például a nagy görög betűkkel írt: lambda Λ⁰ (uds), a kaszkád Ξ⁻ (dss) vagy az omega Ω⁻ (sss).

Az omega Ω− (sss) hiperon.

A nagyenergiás mag- és részecskefizika egyik legfontosabb kérdése ma, hogy milyen kölcsönhatás van a különböző kvarkokból álló hadronok, például a barionok között. Különösen fontos kérdés, hogy mi a hatásmechanizmus a nehezebb kvarkok, illetve a belőlük felépülő nehéz hiperonok között.

A hiperonok közötti kölcsönhatást többek között azért is nehéz megmérni, mert nem sokkal a keletkezésük után elbomlanak. Ezt a pillanatot sikerült most elcsípni a CERN ALICE detektorának segítségével, ahol a protonok és az Ω⁻ részecskék közötti kölcsönhatást mértek a kutatók az Ω⁻ elbomlása előtt.
De vajon miért ennyire érdekes ez az eredmény?

Az ALICE kísérletben az Ősrobbanást (Big Bang) követő milliomod másodpercekben létrejött anyagot az úgynevezett kvark-gluon plazmát kutatják. Ez a forró, sűrű anyag szimmetrikus volt abban a tekintetben, hogy egyformán tartalmazta a kvarkfajtákat. A mai kihűlt Univerzumban azonban csak a legkönnyebb u és d kvarkokból álló barionos anyagot láthatjuk – elvétve találunk csak hiperonokat. Az azonban még nem bizonyított, hogy létezhet-e hiperonos, például s (strange) kvark tartalmú anyag a mai Világegyetemben.

Az ALICE kísérleti berendezés a CERN-ben szétszerelt állapotban 2020. júliusában.

Forrás: cds.cern.ch

„A mai tudásunk szerint hiperonok előfordulhatnak a szupernóva robbanások utáni visszamaradt pulzárok szupersűrű, hideg maganyagában – azonban ezek direkt megfigyelése nem lehetséges. A hiperoncsillagok, vagy más néven ritkaság-tartalmú csillagok modellezéséhez pontosan ismerni kellene a részecskék közötti kölcsönhatást, ami lehetővé teszi, hogy precízebb elméleti modelleket készíthessünk. Ha ez sikerül, akkor például a hiperoncsillagokra utaló jeleket kereshetünk a sokcsatornás asztrofizikai megfigyelésekkel: gravitációs hullámokkal, gamma- és rádióteleszkópokkal” – mondja dr. Barnaföldi Gergely Gábor a Wigner FK Nehézionfizikai Kutatócsoport vezetője, aki maga is tagja az ALICE kísérleti együttműködésnek.

A pulzárok (neutroncsillagok) belső szerkezetének modelljei.

„Jelen eredmény több szálon is kapcsolódik a Wigner Fizikai Kutatóközponthoz – fejti ki a kutató – egyrészt a Nehézionfizika kutatócsoportban elméleti modelleket dolgozunk ki a pulzárok belső szerkezetének megértésére; emellett a Magyar ALICE Csoport kísérleti kutatás-fejlesztései – az adatgyűjtő rendszer (DAQ), az időprojekciós kamra (TPC) és a belső nyomkövető rendszer (ITS) fejlesztései – jelentősen hozzájárultak ahhoz, hogy az ALICE kísérleti berendezésbe ki tudják mérni a barion és hiperon részecskék közötti kölcsönhatást.”